光纤通信第4章_相干光通信

源线宽达到kHz量级。
外差
接收机对激光线宽要求远低于零差接收机。同步外差接收
机要求/Rb为10-3量级。相比而言，异步ASK和FSK接收机， /Rb可超过0.1。对于2.5Gbps的系统，通常对光源线宽要求达 到1MHz量级。
• 强度噪声的影响
P (RIN) I 10lg 1 L h
异步ASK外差
散粒噪声为主
•异步FSK
1 SNR exp( ) 2 4 NP 1 BER exp( ) 2 2 BER
• 异步DPSK
异步FSK外差
散粒噪声为主
1 BER exp( N P ) 2
异步DPSK外差
散粒噪声为主
•异步外差相干接收的灵敏度 对比表 BER<10-9
光电流和信噪比降低，影响BER和接收机灵敏度。采用偏振控制技术可以消除
这种影响，其中保偏光纤是最简单有效的方法。
• 色散的影响
相干系统中都使用单纵模窄线宽光源, 强度调制（如ASK）传输系统色散的影响远 没有IM/DD系统中严重. 光纤信道的色散对光这种超高频的电磁信号的相位和频率的影响是微乎其微的，
第4章 相干光通信技术
相干光通信的原理 调制与解调
误码率与灵敏度
噪声及性能影响
相干光通信系统的性能
4.1 基本原理和构成
光纤
光电检测器
后处理
激光调制
放大
(a) 直接检测 光纤 光电检测器 后处理
激光调制
中频放大
本振光 (b) 相干检测
相干光通信原理
信号光与本振光可表示为
ES AS exp iS t S
EL AL exp iLt L
相干光信号的功率
P ES E L
2
Pt PS PL 2 PS PL cosIF t S L
光电检测得到的光电流
I t RP R( PS PL ) 2R PS PL cosIF t S L
零差 外差
零差检测方式的信噪比要比外差检测方式高2倍（3dB）。
相干光零差检测
相干光外差检测
4.2Biblioteka Baidu调制与解调
• ASK
为保证发射激光的频率和相位稳定，相干光发射机必须使用外调制技术 M-Z调制器，LiNbO3波导调制器
调 制
• PSK
LiNbO3相位调制器，PSK和DPSK
• FSK
（1）LiNbO3波导调制器 （2）声光调制器 （3）半导体激光器内调制
按B=2.5Gbps, T=300K，RL=50等技术条件，计算可以得到：
PL 10mW : s2 2 1012 , T2 1.6 1012 , I2 3.11010
I2
s2 T2，BER 109 , Ps 30dBm,
BER 107 , Ps 31dBm
因此在PSK和FSK相干光通信系统中，可以忽略光纤色散的影响。
4.5 相干光通信系统的性能
直接检测
12~15dB ASK外差 包络检测

FSK外差 包络检测 单滤波器 3dB FSK外差 包络检测 双滤波器 3dB DPSK 外差检测

ASK外差 同步解调

FSK外差 同步解调 单滤波器 3dB FSK外差 同步解调 双滤波器 3dB PSK 同步解调 3dB
平衡探测技术
2013-3-29
15
零差灵敏度的计算
I1 I 0 Q 1 0
1 2 2 P0 ES ELO 2ELO ES cos( (t )) 2
P 180
，



1 2 2 ES ELO 2 ELO ES cos( (t )) 2

P0 P 180 2 ELO ES cos( (t ))
PSK 零差
NP 1 BER erfc( ) 2 2
FSK 外差
•同步相干接收的灵敏度 对比表 BER<10-9
调制格式
灵敏度 光子数 NP
ASK外差 ASK零差 PSK外差
ASK零差 FSK外差
IM/DD
72
36
18
9
36
10
•异步ASK
1 SNR exp( ) 2 8 NP 1 BER exp( ) 2 4 BER
ASK 外差
SNR 2 N P SNR 4 N P
NP 1 BER erfc ( ) 2 4 NP 1 BER erfc ( ) 2 2
ASK 零差
•同步PSK
1 BER erfc( N P ) 2 1 BER erfc( 2 N P ) 2
•同步FSK
PSK 外差
E1
RL


ES
0° 180° 90° 光移相 混频器
E2
u1
I支路
基带信号
E3
E4


RL u2
Q支路
ELO
90° 270°
本振激光器
VC
环路滤波器
Costas环可以处理模拟与数字信号，其激光器线宽要求较低为=5.02×104Rb
OPLL和BPSK零差光接收模块
Costas 光锁相环
90°Hybrid 光学设计
低通滤 “0”码 波器
解调FSK信号的双滤波器接收机
光纤 光发射机 光接收机 本振光
带通滤 波器 1bit 延迟
低通滤 波器
PSK信号的延迟解调方案
3）零差同步解调
ES
ELO
180° 光耦合器 180° 0°
E1
RL


E2
基带信号
本振激光器
VC
环路滤波器
平衡锁相环对激光器线宽的要求很高，允许的最大激光器线宽为=5.88×106Rb
PL 1mW : s2 2 1013 , T2 1.6 1012 , I2 3.11012
I2 T2 s2，BER 109 , Ps 38dBm,
BER 107 , Ps 40dBm
PL 0.1mW : s2 2 1014 , T2 1.6 1012 , I2 3.11014
解调
1）外差同步解调
光纤 光发射机 光接收机 本振光 带通滤 波器 载波 恢复 低通滤 波器
2）外差异步解调
带通滤 波器 光接收机 本振光 包络检 测器 低通滤 波器
光纤 光发射机
“1”带 通滤波器 光纤 光发射机 光接收机 本振光 “0”带 通滤波器
包络检 测器
低通滤 “1”码 波器
包络检 测器
2 t 4 R 2 PS PL I homo
零差与外差方 式的光电流的 平均功率为
2 t 2 R 2 PS PL I hetero
散粒噪声与热噪声
S2 2qI I d f
4k bT f RL
2 T
4 R 2 Ps PL 2 IS t 2qRPL I d f 4kbTf / RL SNR 2 2 2 R 2 Ps PL S T 2qRPL I d f 4kbTf / RL
调制格式 灵敏度 光子数 NP
ASK
FSK
DPSK
IM/DD
40
40
20
10
4.4 噪声及性能影响
• 相位噪声的影响
线宽与比特率的比值/Rb描述相位噪声对相干光通信系统的影响
零差
接收机对线宽要求最严，并与锁相环设计密切相关，典型的
容限值为/Rb为10-4量级。对于2.5Gbps的系统一般要求，激光光
交流项光电流 直接强度探测
I S t 2R PS t PL
I DD t RPS t
提高了
4PL / PS
零差 外差
I homo t 2R PS PL cosS L
I heterot 2R PS PL cosIF t S L
T2 I2 s2，BER 109 , Ps 32dBm,
BER 107 , Ps 34dBm
4.3 误码率与灵敏度 • 同步ASK
BER
1 Q erfc( ) 2 2
Q
I1 I 0 I 1 1 ( SNR)1/ 2 1 0 2 1 2
PS N P hB B 2 f R h
零差 外差
2 N P hB 2 4N P IS t h qf SNR 2 2 S T N P hB 2N P h qf
P 90 P 270 2 ELO ES sin( (t ))
I R( P0 P 180 ) 2 R P LO P S cos( (t ))
I1 2 R PLO PS
I 0 2R PLO PS

2 0 2 1 2 s 2 T
2 I
2R PLO PS I1 Q 1 s2 T2 I2
当PL=1mW时，即使本振的相对强度噪声低至RIN=-160dB/Hz，I已超过2dB 而普通的DFB激光器是很难达到RIN=-160dB/Hz的。 当PL=0.1mW时，为使I<2dB，对RIN的要求可放宽到-150dB/Hz。 若PL=10W，则功率代价可忽略
• 偏振失配的影响
两光场偏振方向不一致而存在夹角时，其干涉项将出现附加因子cos，导致

ASK 零差检测
PSK 零差检测 零差检测
外差检测 电非相干解调 电相干解调
相干检测的方式的比较
相干光通信的特点
优点： • 极高灵敏度，接近量子极限 • 超长传输距离 • 超宽带传输
缺点：
• 对光源线宽要求极高 • 对相位、频率、偏振稳定要求高 • 系统复杂，成本高